АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ АДАПТИВНО-ЛАНДШАФТНОЙ СИСТЕМЫ ЗЕМЛЕДЕЛИЯ

Граецкая О.В.¹, Чусова Ю.С. ², Торгоня Д.П. ³

¹ORCID: 0000-0002-2700-2036, кандидат технических наук;

²ORCID: 0000-0001-7332-6480, старший преподаватель; ³ORCID: 0000-0002-4317-1331, студент,

Южный федеральный университет

АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ АДАПТИВНО-ЛАНДШАФТНОЙ СИСТЕМЫ ЗЕМЛЕДЕЛИЯ

Аннотация

Проведен сравнительный анализ современных технологий земледелия. Обоснована необходимость внедрения адаптивно-ландшафтных систем земледелия и актуальность разработки системы поддержки принятия решений, позволяющей упростить внедрение адаптивно-ландшафтной системы земледелия. Разработана модель системы поддержки принятия решений, включающая архитектуру системы, функциональные требования, алгоритмы работы подсистем, геоинформационную систему для создания и редактирования почвенно-ландшафтных карт.

Ключевые слова: технологии земледелия, адаптивно-ландшафтная система земледелия, система поддержки принятия решений.

Graetska O.V.¹, Chusova Yu.S.², Torgonya D.P.³

¹ORCID: 0000-0002-2700-2036, PhD in Engineering;

²ORCID: 0000-0001-7332-6480, Senior lecturer; ³ORCID: 0000-0002-4317-1331, Student,

Southern Federal University

ANALYSIS AND SIMULATION OF  DECISION SUPPORT SYSTEM FOR IMPLEMENTATION OF  ADAPTIVE-LANDSCAPE FARMING SYSTEM 

Abstract

The authors carried out a comparative analysis of modern farming technologies. The necessity of introduction of adaptive-landscape farming systems is substituted and the urgency of the development of the support system for decision-making is proved, allowing to simplify the introduction of the adaptive-landscape system of agriculture. A model of decision support system is developed, including the system architecture, functional requirements, subsystem algorithms, geoinformation system for development and edition of soil-landscape maps.

Keywords: agricultural technologies, adaptive-landscape farming system, decision support system.

Современное земледелие – это система, которая включает в себя множество компонентов, находящихся в тесной взаимосвязи друг с другом и природной средой. Так как природная среда постоянно меняется и ее поведение очень сложно спрогнозировать, земледелие относят к сложным системам, для управления которыми необходимо использовать методологию системного анализа и принятия решений, реализуя ее с помощью современных информационных технологий.

В данный момент первоочередной причиной кризиса сельского хозяйства в России является слабая экологическая связь земледелия с природной средой. Итогом чего является разрушение окружающей среды: развитие эрозионных процессов, дегумификация почв, засоление, заболачивание территорий и развитие других негативных процессов. Согласно Стратегии социально-экономического развития агропромышленного комплекса РФ на период до 2020 года в нашей стране более активно будут развиваться научно-обоснованные зональные системы земледелия, которые обеспечат эффективное использование земельных, трудовых, энергетических и других ресурсов [1]. Также должно расшириться производство экологически чистой продукции. Для этого необходимо сформировать новый уклад агропромышленного производства путем модернизации и внедрения инноваций в деятельность сельскохозяйственных предприятий. Основным условием решения этой задачи является разработка и внедрение адаптивно-ландшафтных систем земледелия (АЛСЗ). Такие системы должны быть способны адаптироваться к конкретным агроландшафтам, не нарушая их экологическую устойчивость, также необходимо рационально размещать возделываемые культуры, исходя из их агроэкологических и агротехнологических требований.

В последнее время в сельском хозяйстве набирает популярность применение высокоинтенсивных технологий, которые учитывают эколого-экономическую эффективность проведения работ. При использовании высоких технологий продуктивность выращиваемой культуры близка к ее биологическому потенциалу. В научных лабораториях создаются новые высокопродуктивные сорта культур, более безопасные удобрения и средства химической защиты. Разрабатываются новые способы обработки почвы, внесения удобрений и химических средств.

В таблице 1 выполнено сравнение двух передовых видов технологий земледелия – интенсивных и высоких технологий.

Таблица 1 – Сравнительный анализ технологий земледелия

Показатели сравнения	Интенсивные технологии	Высокие технологии	Преимущества высоких технологий
Способ использования земли	Почти вся пашня занята посевами. Значительная часть отведена под пропашные культуры	Оптимальная структура посевных площадей с учетом специализации хозяйства и агроландшафтов	Надежная защита окружающей среды. Повышение плодородия почвы
Способ повышения плодородия	Применение органических и минеральных удобрений в большом количестве	Сочетание оптимальных доз удобрений и почвозащитных мероприятий	Уменьшение затрат. Низкая вероятность перенасыщения почвы удобрениями
Севообороты	3-5 польные	6-9 польные с многолетними травами и сидератами	Улучшение фитосанитарного состояния и повышение плодородия почв
Внесение удобрений	Высокие дозы	Оптимальные дозы	Предотвращение загрязнения почв, чистая продукция, уменьшение затрат
Внесение пестицидов и гербицидов	Высокие дозы	Оптимальные дозы. Биологические приемы борьбы с сорняками, вредителями и болезнями	Предотвращение загрязнения окружающей среды, повышение качества продукции
Сорта	Интенсивные	С заданными параметрами	Продуктивность культуры, близкая к ее биологическому потенциалу
Качество продукции	Отвечающее требованиям переработки и рынка	Сбалансированное по всем компонентам	Более высокое качество, экологически чистая продукция
Экологический риск	Риск загрязнения	Минимальный риск	Низкая вероятность загрязнения

При применении высоких технологий учитываются почвенно-климатические и эколого-экономические условия, эффективно используются имеющиеся в хозяйстве ресурсы. Для каждого хозяйства формируется индивидуальный комплекс работ, который не может быть применен на практике другим хозяйством. Необходима максимальная адаптированность к конкретным агроэкосистемам. Результатом перехода к высоким технологиям явилась разработка адаптивно-ландшафтных систем земледелия.

Адаптивно-ландшафтная система земледелия – это система использования земли определенной агроэкологической группы, ориентированная на производство продукции экономически и экологически обусловленного количества и качества в соответствии с общественными потребностями, природными и производственными ресурсами, обеспечивающая устойчивость агроландшафта и воспроизводство почвенного плодородия [2],[3].

Суть АЛСЗ заключается в том, чтобы, проведя анализ, выбрать культуры наиболее подходящие к местному климату, имеющими спрос на рынке, сформировать оптимальную структуру посевных площадей и спланировать комплекс мероприятий по выращиванию сельскохозяйственных культур.

При внедрении адаптивно-ландшафтной системы земледелия в деятельность хозяйства требуется большое количество информации. Изменение одного исходного показателя может в корне поменять список проводимых мероприятий, также неудобно пользоваться бумажными картами. Внедрение подобных систем сопряжено с проведением большого количества расчетов и оценок и требует постоянной работы высококвалифицированных специалистов. Применение системы поддержки принятия решений (СППР) для реализации адаптивно-ландшафтной системы земледелия позволит осуществить этот переход более эффективно.

Современный рынок СППР [4] не предоставляет пользователям готовые программные продукты, реализующие функционал, необходимый сельхозпредприятиям. Поэтому моделирование и разработка системы поддержки принятия решений для реализации АЛСЗ является актуальной задачей.

Моделируемая система поддержки принятия решений включает в себя совокупность алгоритмов и методов, которые обеспечивают сбор, накопление и хранение данных, обработку данных и формирование программ реализации агротехнологии [5, С.42], [6].

Разработка модели такой СППР предполагает реализацию следующих шагов:

1) построение архитектуры системы;

2) разработку функциональных требований к СППР;

3) разработку алгоритмов работы СППР;

4) выбор геоинформационной системы для создания и редактирования почвенно-ландшафтных карт.

При построении архитектуры СППР необходимо учитывать, что в структуру такой системы должны входить:

– база знаний [7], [8], хранящая в себе справочные данные, нормативную информацию, все сгенерированные инструкции по выполнению полевых работ, всю информацию, относящуюся к данному хозяйству, полям, выращиваемым культурам и их сортам, различные типы карт, разработанные посредством ГИС, а также данные о произведенных ранее расчетах и результатах их применения;

– механизм вывода, который содержит математические модели, правила вывода информации, декларативные и процедурные знания. Модели, управляемые знаниями, формируют все элементы агротехнологии и технологию в целом. Модели, управляемые данными, осуществляют прогнозные функции на всех этапах формирования и реализации агротехнологий с использованием информации из базы данных;

– геоинформационная система (ГИС), в которой разрабатываются различные типы карт, загружаются снимки из космоса;

– система приобретения знаний, которая выступает посредником между специалистом и экспертной системой;

– система объяснения решений, предоставляющая пояснения к расчетам, выданным рекомендациям;

– система интерпретации знаний, которая является механизмом, играющим роль интерпретатора, применяющего знания подходящим образом, чтобы получить результат; прогнозирует результаты применения определенного набора действий, осуществляет расчеты и формирует инструкции по выполнению полевых работ;

– система естественно-языкового интерфейса, осуществляющая общение человека с компьютером в режиме диалога, запросы преобразует в результат.

На рисунке 1 представлена архитектура системы поддержки принятия решений.

Рис. 1 – Архитектура системы

Следующим шагом в моделировании системы является разработка функциональных требований, описывающих функциональные возможности разрабатываемой системы. На рисунке 2 представлены функциональные требования к СППР для реализации адаптивно-ландшафтной системы земледелия.

Рис. 2 – Функциональные требования к СППР

Группа специалистов, а именно, инженер по знаниям, системный аналитик и эксперт (агроном, глава хозяйства) работают с базой данных – создают и обновляют справочники, добавляют всю необходимую для работы информацию, нормативные данные; работают с геоинформационной системой – составляют почвенно-ландшафтные карты и редактируют их; а также работают с базой знаний, а именно добавляют математические модели, редактируют базу и задают правила формирования:

– структуры посевных площадей;

– севооборотов;

– системы обработки почвы;

– системы удобрения;

– системы борьбы с сорняками;

– системы интегрированной защиты растений от вредителей и болезней;

– системы агролесомелиоративных и почвозащитных мероприятий.

Пользователь получает инструкции по выполнению полевых работ, может обращаться за справочной информацией, а также вносить данные о проведенном агрохимическом анализе почвы, результатах применения системы, например, информации о собранном урожае.

На следующем шаге разрабатываются алгоритмы работы подсистем: формирования структуры посевных площадей, севооборотов, обработки почвы и т.д.

Рассмотрим один из разработанных алгоритмов – алгоритм формирования севооборота. Для того чтобы сформировать севооборот необходимо проанализировать агроландшафтные и организационно-экономические условия конкретного хозяйства, результатом чего будет определение специализации полеводства хозяйства [9]. Далее необходимо выбрать культуры для возделывания. Следующим шагом является определение ориентировочной структуры посевных площадей. После того как определена структура посевных площадей, необходимо выбрать метод определения площади севооборота. После проведенного расчета предстоит выбрать схему севооборота. Далее выбирается вариант территориальной организации схемы севооборота. Завершающим действием является сопоставление структуры посевных площадей – ориентировочной и по выбранной схеме севооборота. Если они совпадают, то севооборот применяется на практике, иначе – повторяются шаги от определения ориентировочной структуры посевных площадей до тех пор, пока не совпадут площади по структуре и схеме севооборота. Алгоритм формирования севооборотов представлен на рисунке 3.

Рис. 3 – Алгоритм формирования севооборотов: Р – площадь севооборота; Р_н – площадь пашни с заданным составом культур, приходящаяся на одного механизатора; N – число механизаторов; Р_вед – площадь ведущей культуры; λ – доля ведущей культуры в севообороте; Р_опт – оптимальная площадь поля; К – число полей в рекомендуемой схеме чередования культур

Аналогичным образом были разработаны все требуемые для работы системы поддержки принятия решений алгоритмы с учетом современных агроэкологических и агротехнологических требований.

На последнем шаге построения модели осуществляется выбор геоинформационной системы, которую необходимо включить в СППР для создания и редактирования почвенно-ландшафтных карт [10].

Таким образом, разработана модель системы поддержки принятия решений для реализации адаптивно-ландшафтной системы земледелия, обеспечивающей экологическую устойчивость и воспроизводство почвенного плодородия. На основе предложенной модели будет построена СППР, применение которой в сельском хозяйстве позволит не только упростить внедрение АЛСЗ, но и повысить качество и обоснованность принимаемых решений по выбору комплекса сельскохозяйственных работ, адаптированных к конкретным агроландшафтам.

Список литературы / References

1. Стратегия социально-экономического развития АПК РФ на период до 2020 года [электронный ресурс] // ФГБНУ ФНЦ ВНИИ экономики сельского хозяйства. – URL: https://goo.gl/bkjUE0(дата обращения: 06.03.2017).
2. Адаптивно-ландшафтное земледелие [электронный ресурс]  // Википедия – свободная энциклопедия. –  URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Адаптивно-ландшафтное_земледелие (дата обращения: 11.09.2017).
3. Основы адаптивно-ландшафтной системы земледелия [электронный ресурс]  // КГАУ имени И. Т. Трубилина – URL: http://kubsau.ru/upload/iblock/9ba/9bab9809a130de 617cb1cd310655bf84.pdf (дата обращения: 11.03.2017).
4. Система поддержки принятия решений [электронный ресурс] // Википедия – свободная энциклопедия. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Система_поддержки_принятия решений (дата обращения: 16.03.2017).
5. Уринцов А.И. Системы поддержки принятия решений / А.И.Уринцов, В.В.Дик. – М.: МЭСИ, 2008. – 230 с.
6. Назначение систем поддержки принятия решений [электронный ресурс] // Инфопедия.  – URL: http://infopedia.su/15xe7f.html (дата обращения: 26.08.2017).
7. Управление базами знаний [электронный ресурс] // Управление знаниями. – URL: https://sites.google.com/site/upravlenieznaniami/inzeneria-znanij/bazy-znanij (дата обращения: 21.03.2017).
8. Модели знаний. Компоненты экспертных систем [электронный ресурс] // РефРФ.  – URL: http://referatwork.ru/IT_lections/section-11.html (дата обращения: 21.03.2017).
9. Организация системы севооборотов [электронный ресурс] // files.cdml/АПК – URL: https://files.cdml.ru/IPK/baza/2015/10%20-%20октябрь/5.%20Организация %20севооборотов.pdf (дата обращения: 25.03.2017).
10. Кирюшин В.И. Применение ГИС-технологий при картографировании и проектировании агроландшафтов [электронный ресурс] / В.И. Кирюшин, И.В. Слива // Известия ОГАУ. – 2005. –№ 5-1. – С.8-12. –URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-gis-tehnologiy-pri-kartografirovanii-i-proektirovanii-agrolandshaftov (дата обращения: 28.03.2017).

Список литературы на английском языке/References in English

1. Strategija social'no-jekonomicheskogo razvitija APK RF na period do 2020 goda [Strategy for socio-economic development of agroindustrial complex of the Russian Federation for the period till 2020] [Electronic resource] // RUSSIAN Federal scientific center research Institute of agricultural Economics. – URL: https://goo.gl/bkjUE0 (accessed: 06.03.2017). [in Russian]
2. Adaptivno-landshaftnoe zemledelie [The adaptive-landscape agriculture] [Electronic resource] // Vikipedija – svobodnaja jenciklopedija. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Адаптивно-ландшафтное_земледелие (accessed: 11.09.2017). [in Russian]
3. Osnovy adaptivno-landshaftnoj sistemy zemledelija [The basics adaptive-landscape systems of agriculture] [Electronic resource] // KSAU behalf of I. T. Trubilin. – URL: http://kubsau.ru/upload/iblock/9ba/9bab9809a130de617cb1cd 310655bf84.pdf (accessed: 11.03.2017). [in Russian]
4. Sistema podderzhki prinjatija reshenij [Decision Support System] [Electronic resource] // Wikipedia – the free encyclopedia. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Система_поддержки _принятия решений (accessed: 16.03.2017). [in Russian]
5. Urincov A.I. Sistemy podderzhki prinjatija reshenij [Decision Support System] / A.I.Urincov, V.V.Dik. – M.: MESI, 2008. – 230 p. [in Russian]
6. Naznachenie sistem podderzhki prinjatija reshenij [The target decision support system] [Electronic resource] // Infopedia. – URL: http://infopedia.su/15xe7f.html (accessed: 26.08.2017). [in Russian]
7. Upravlenie bazami znanij [The knowledge management] [Electronic resource] // Кnowledge management. – URL: https://sites.google.com/site/upravlenieznaniami/inzeneria-znanij/bazy-znanij (accessed: 21.03.2017). [in Russian]
8. Modeli znanij. Komponenty jekspertnyh system [The models of knowledge. The components of expert systems] [Electronic resource] // RefRF.  – URL: http://referatwork.ru/IT_lections/section-11.html (accessed: 21.03.2017). [in Russian]
9. Organizacija sistemy sevooborotov [The organization of system of crop rotations] [Electronic resource] // files.cdml/IPK – URL: https://files.cdml.ru/IPK/baza/2015/10%20-%20октябрь/5.%20Организация %20севооборотов.pdf (accessed: 25.03.2017). [in Russian]
10. Kirjushin V.I. Primenenie GIS-tehnologij pri kartografirovanii i proektirovanii agrolandshaftov [The application of GIS technologies for mapping and the design of agricultural landscapes] [Electronic resource] / V.I. Kirjushin, I.V. Sliva // News of the OSAU. – 2005. –№ 5-1. – P.8-12 – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-gis-tehnologiy-pri-kartografirovanii-i-proektirovanii-agrolandshaftov (accessed: 28.03.2017). [in Russian]